PM2.5浓度的Raman-Mie激光雷达探测 PM2.5浓度的Raman-Mie激光雷达探测 闫顺生 张 璇 李 艾 孙翠先(1.唐山学院 基础教学部，河北 唐山 063000；2.唐山学院 新材料与化学工程学院，河北 唐山 063000）0 引言PM是指粒径小于2.5μm的气溶胶粒子（由于其尺度小又称为细颗粒物）。国内外的研究表明，大气中高浓度的细粒子是城市雾霾天气的主要原因。当前，直接测量PM质量浓度主要是利用颗粒物探测仪布置在有限点进行测量，如徐敬等人在北京舞蹈学院和中国气象局培训中心主教学楼楼顶放置...
闫顺生 张 璇 李 艾 孙翠先
(1.唐山学院 基础教学部，河北 唐山 063000；2.唐山学院 新材料与化学工程学院，河北 唐山 063000）
PM是指粒径小于2.5μm的气溶胶粒子（由于其尺度小又称为细颗粒物）。国内外的研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，大气中高浓度的细粒子是城市雾霾天气的主要原因。当前，直接测量PM质量浓度主要是利用颗粒物探测仪布置在有限点进行测量，如徐敬等人在北京舞蹈学院和中国气象局培训中心主教学楼楼顶放置颗粒物质量监测仪进行PM质量浓度观测。这种固定点PM质量浓度的测量较容易实现，而PM质量浓度在空间不同高度上的测量较为困难。
后向散射激光雷达是探测大气气溶胶的有力工具，但是在近距离处存在盲区和过渡区；侧向散射激光雷达是处于研究中的一项新技术，但是信号较弱，而Raman-Mie激光雷达由于使用两通道信号比，既避免了后向雷达近距离探测受几何因子影响的缺点，又避免了侧向散射雷达远距离段分辨率较低、信噪比较低的缺点，在探测对流层气溶胶方面有很大潜力。
本文利用Raman-Mie激光雷达反演了对流层PM质量浓度高度廓线，详细讨论了各参数的合理取值。进行了两个典型个例 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，初步分析了PM质量浓度的空间分布特点。
L625 Raman-Mie激光雷达系统从整体上可分为激光发射、信号接收、数据采集及控制三大部分。整个系统的工作原理为：激光器向大气中发射一束激光，由于光束与大气的相互作用，散射光中就包含了大气中气溶胶颗粒物的信息。对于355 nm波长激光束,同时接收它的N分子Raman散射回波(波长为386.7 nm)和Mie散射回波，可用于计算对流层温度、气溶胶消光和后向散射系数的高度分布。图1为L625激光雷达的结构示意图。
图1 L625 Raman-Mie激光雷达系统框结构
利用氮气N分子Raman散射回波和大气气溶胶及气体分子的Mie散射回波，可以方便地得到气溶胶散射比R（λ，z）和消光系数a（λ，z）：
其中，R为z参考高度上的散射比，称为散射比参考值。引入R的目的是归一化激光雷达系统常数，该常数不易准确测量得到。通常对流层中上部气溶胶的含量较少，故在6～12km范围内将透过率校正后的Mie散射和Raman散射回波比值最小的地方设为z，并取波长355nm处的R=1.002。分子消光系数由探空数据或大气模式算出，气溶胶消光散射比S一般取30。散射比采用迭代方法计算，有利于降低气溶胶消光系数初值的误差带来的影响。
合肥市陶宗明等人理论得到PM质量浓度C与气溶胶消光系数a的关系为：
式中，C为PM颗粒物浓度，单位为ug/m。a为355nm激光雷达测得的消光系数，单位为m，（3）式是把消光系数转化为PM质量浓度的理论依据，且M为比例系数。在（3）式中，比例系数M是由气溶胶的种类、谱分布、折射率指数及大气相对湿度（RH）等参数决定的常数。在近地面的大气层内，由于湍流的混合作用，可认为气溶胶的折射率指数是相同的，气溶胶粒子的谱分布的特征也是相同的。陶宗明等人大量实验得出比例系数M在相对湿度70%以下为100倍左右，高于相对湿度70%则为150倍左右。
济南环境监测中心站何涛等人经过大量铁塔实测数据，拟合得到355nm消光系数和PM浓度的经验公式为：
式中，Y为PM颗粒物浓度，单位为ug/m。X为355nm激光雷达测得的消光系数，单位为m，比例系数是104.086。实测PM颗粒物浓度与355nm消光系数之间的相关系数R=0.9464，样本数N=388个。从拟合结果可以看出，PM颗粒物浓度与355nm消光系数相关系数高，相关性很好，精度很高，所以可以比较准确地反演出PM颗粒物浓度的分布。
由于激光雷达站点常常缺乏颗粒物质量监测仪，故难以及时获得地面PM质量浓度，也就不能计算出比例系数，这就给消光系数廓线转化为PM质量浓度廓线带来了困难。综合两位研究者的理论和实验研究，又考虑到在大气垂直分布中，水汽绝大部分集中在低层，大气湿度随着高度迅速递减，一般相对湿度小于70%，故355nm消光系数反演PM质量浓度比例系数取值在100左右是较合理的。
探测个例选取了两个典型天气，为2013年8月1日和12月29日两个夜晚，观测地点位于合肥市西郊中科院合肥物质科学研究院大气光学中心。
2013年8月1日是夏季且天气晴朗，天气无污染，图2（b）为2013年8月1日气溶胶散射比随高度的分布，气溶胶散射比不超过1.5，图2（c）PM质量浓度高度廓线表明6 km高度内PM质量浓度最大不超过8μg/m；这种分布基本上代表了无污染天气对流层中下部气溶胶PM质量浓度分布的特点，这与合肥科学院陶宗明等人探测结果类似。
图2 2013年8月1日激光雷达探测
2013年12月29日前后几日环保局监测 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 显示合肥地区持续大规模空气污染。当天地面PM质量浓度达到污染程度为120μg/m左右。图3（a）雷达信号显示在6 km高度有云，图3（b）散射比高度廓线显示6千米高度云散射比达到20左右，远大于气溶胶。这也证明了反演方法的正确性。图3(b)散射比高度廓线表明5.5 km以下气溶胶散射比在2～3之间相对正常天气同等高度明显偏大。在图3（c）PM质量浓度高度廓线则详细表明在1～4 km高度内有一层浓度较高气溶胶层，PM质量浓度在15～40μg/m之间，明显大于无污染天气的PM质量浓度。当天探空资料显示在高度4 km以下相对湿度为60%～80%，同时气象探空资料发现逆温层高度出现在4 km，这样会更有利于气溶胶粒子的聚积而导致其浓度增大。这说明当一个地区持续大规模空气污染时，不仅地面大量气溶胶聚集，其上空也有一层浓度较大的气溶胶层，这对于全面分析区域外和局地污染的时空相互作用 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 提供了重要参考。
图3 2013年12月29日激光雷达探测
本文对PM质量浓度与气溶胶消光系数之间存在着的比例系数进行了进一步分析，反演了2013年8月1日和2013年12月29日晚合肥PM质量浓度廓线，对探测实验结果进行了初步分析，表明Raman-Mie激光雷达探测PM质量浓度是可行的。
Raman-Mie激光雷达由于使用两通道信号比，避免了后向雷达有盲区的缺点，又避免了侧向散射雷达信号过弱的缺点，因此在探测大气污染方面有很大潜力。反演PM质量浓度廓线，对于力图破解城市雾霾形成机理，对大气污染质量预报及改善城市大气环境质量的措施有重要意义。
注：本文数据由中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心提供，在此致谢！
-全文完-
浙公网安备 33021202002483